鄰近建筑物逆作法深基坑支護設計與應用

楊 超，楊皓東,，程玉柱，涂剛要

(1.安徽建筑大學土木工程學院，安徽 合肥 230601； 2.合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

擬建項目位于合肥市，基坑長約210m，寬約200m，開挖深度11.00～18.40m，基坑北側、南側及西側采用放坡+灌注樁+斜撐支護，基坑東側采用逆作法支護形式。東側逆作法區(qū)域和支護區(qū)域內(nèi)基坑總長210m、寬31.6m，呈南北向較長的長方形，基坑東側開挖邊界距離已建33層住宅小區(qū)僅8.8m。

2 基坑支護設計

2.1 結構選型設計

基坑安全等級為一級，安全等級系數(shù)為1.1。因基坑東側的情況較為復雜，故對其進行特殊設計，考慮以下方面：①地下連續(xù)墻有較好的止水效果，但施工工藝復雜、造價高昂，且本工程地下水位深，可采用承載能力較強的排樁設計；②基坑距離東側已建33層住宅小區(qū)僅8.8m，不可越界，故無法采用錨索支護；③基坑屬于大基坑支護類型，對圍護樁的尺寸、布樁密度和排距均有較高要求；④逆作區(qū)內(nèi)部框架梁與圍護樁間距較大，需設置相應的內(nèi)支撐結構。綜合各因素考慮采用3排灌注樁配合水平鋼支撐進行支護。沿3排支護樁橫縱向設立冠梁和連梁，均采用C30混凝土澆筑。鋼支撐長度取為4.5m,沿基坑方向水平間距取為4.5m,采用Q345鋼材。東側支護設計剖面及支護樁配筋如圖1所示。

圖1 基坑東側支護設計剖面

2.2 結構經(jīng)濟可行性分析

該支護方式主要采用排樁和H型鋼支撐兩種構件。東側已建小區(qū)因建設需要已打下2道排樁支護，因此減少了本支護方案2道排樁施工，在造價上更為合理，減少了資源浪費，縮短了工期。而H型鋼支撐因構件的特殊性需要在廠家定制，造價約3 800元/t，在價格上與鋼筋混凝土支撐相比并不占優(yōu)，但具有安裝便捷、工期短、自重輕等優(yōu)點，在經(jīng)濟性上考慮該基坑支護方案可行。

3 支護樁承載力驗算

3.1 計算模型

因?qū)嶋H工程構造較為復雜，為了使計算合理與設計安全，故將3排樁支護結構簡化為雙排樁模型，以最后一排樁作為安全備用樁。本文選取的計算模型依據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》中所給出的雙排樁平面鋼架模型，如圖2a所示。由于本工程含有內(nèi)支撐結構，將模型簡化為如圖2b所示。鋼支撐所在位置處簡化為剛度為KR的彈簧支座。前排樁嵌固端土體及樁間土簡化為水平向土彈簧，樁端簡化為豎向連桿，連梁視為剛度無限大的剛體。基坑外側承受朗肯主動土壓力Pak作用，基坑內(nèi)側承受分布土壓力PS作用，樁間土兩側承受初始壓力Pc0作用。b0，ba分別為前后排樁的土壓力計算寬度，兩者計算時均取樁間距。

圖2 雙排樁計算模型

雙排樁外側受到朗肯主動土壓力Pak的作用，內(nèi)側受到分布土壓力的PS的作用，表達式如下：

(1)

PS=ksv+σPka

(2)

前后排樁間土體對樁側有一對大小相等方向相反的初始壓力Pc0：

Pc0=(2α-α2)Pak

(3)

帶內(nèi)支撐計算模型中鋼支撐對排樁的作用力Nk：

Nk=KRν

(4)

本工程中東側臨近建筑物，需考慮基礎對土體的作用Δσk:

(5)

各式中主要參數(shù)解釋詳見《建筑基坑支護技術規(guī)程》。

雙排樁支護結構采用平面桿系結構彈性支點法計算支護結構受力變形，可計算出樁頂位移，有以下?lián)锨€微分方程：

(6)

(7)

式中：Z為排樁頂部至計算點距離；h為工況下基坑開挖深度。

3.2 最不利工況的選取

基坑支護結構體系選取受力狀態(tài)最不利的2個工況進行分析。①工況1(見圖3) 逆做區(qū)內(nèi)部框架已形成，支撐框架與圍護結構設置第1道鋼支撐后，開挖地下1層土方至地下2層梁板標高-7.550m處，距離圍護樁樁頂6.75m。②工況2(見圖4) 支撐框架與圍護結構設置第2道鋼支撐后，基坑繼續(xù)開挖至坑底標高-11.800m處，距離圍護樁樁頂11m。

圖3 工況1

圖4 工況2

3.3 土壓力計算

依據(jù)DB34/T 5079—2018《建筑工程逆作法技術規(guī)程》，支護結構頂端施工荷載q1取為30kPa，基坑東側建筑物荷載通過式(5)計算q2為140kPa，總荷載q0=q1+q2=170kPa。根據(jù)3.1節(jié)的土力學計算公式，分別求得工況1,2下的每延米土壓力計算值如圖5,6所示。

圖5 工況1下土壓力分布

圖6 工況2下土壓力分布

兩種工況下基坑外側主動土壓力合力的標準值Eak為1 789.27kN,合力作用點至擋土構件底端的距離Za為9.01m。工況1基坑內(nèi)側被動土壓力合力的標準值Epk=5 613.6kN、合力作用點至擋土構件底端的距離Zp=5.71m。工況2基坑內(nèi)側被動土壓力合力的標準值Epk=3 166.3kN,距離Zp=4.15m。

3.4 支護結構承載力驗算

3.4.1計算公式

支護結構構件或連接因超過材料強度或過度變形的承載能力極限狀態(tài)設計，應符合下式要求：

1)支護樁彎矩驗算

(8)

2)支護樁剪力驗算

(9)

3)鋼支撐軸力驗算

N=γ0γFNK≤RK=φAf

(10)

式中：MK，VK，NK分別為支護樁在荷載作用下計算出的彎矩值、剪力值和鋼支撐的軸力值；RM，RV，RK分別為支護樁的彎矩、剪力的抗力值和鋼支撐的軸力抗力值；式(8)中的其余參數(shù)解釋見 《建筑基坑支護技術規(guī)程》；式(9)中的其余參數(shù)解釋見《混凝土結構設計規(guī)范》；式(10)中的其余參數(shù)見GB50017—2017《鋼結構設計標準》。

由支護樁配筋及H型鋼的規(guī)格，通過式(8)及式(9)計算出圍護樁正截面受彎承載力設計值RM=1 985kN/m、斜截面受剪承載力設計值RV=946kN；由式(10)計算出鋼支撐軸心受壓承載力設計值RN=6 018kN。

3.4.2不加內(nèi)支撐時的承載力驗算

當采用不加撐的支護結構時，采用圖2a計算模型，基坑采用一挖到坑底的情況，故僅考慮工況2土壓力荷載。通過式(6)，(7)及運用理正7.0軟件計算出結構受力，解得前后排樁位移分別為161.74，161.72mm，均發(fā)生在樁頂處；MK分別為2 215.32，2 193.25kN;VK分別為1 072.30，410.62kN。依據(jù)GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術標準》規(guī)定，圍護樁最大樁頂位移為0.2%H=22mm(H為基坑深度)，因161.74mm>22mm,不滿足規(guī)范要求。因樁頂位移偏大，故圍護樁加內(nèi)支撐結構是必要的。

3.4.3加內(nèi)支撐時的承載力驗算

當采用加內(nèi)支撐的支護體系時，采用圖2b計算模型，通過鋼支撐參數(shù)計算出KR=157 138.6kN/m。

3.4.3.1工況1下承載力驗算

同理計算出前后排樁樁身最大水平位移分別為9.58,8.96mm;樁頂最大水平位移為7.67mm;首層鋼支撐支點處的位移值ν=8.18mm;MK分別為585.14，229.09kN/m;VK分別為425.54,100.81kN。

1)位移驗算

雙排樁樁身最大水平位移為9.58mm<22mm，滿足要求。

2)彎矩驗算

通過式(8)計算彎矩設計值M=804.5kN/m

3)剪力驗算

通過式(9)計算剪力設計值V=585.1kN

4)鋼支撐軸力驗算

鋼支撐所受軸力NK=1 285.3kN，通過式(10)計算鋼支撐軸力設計值N=1 767.2kN

3.4.3.2工況2下的承載力驗算

同理計算出前后排樁樁身最大水平位移分別為11.71，13.23mm;樁頂最大水平位移為8.02mm;首層及地下層鋼支撐支點處的位移分別是ν1=9.91mm，ν2=11.28mm；MK分別為496.38，250.87kN;VK分別為526.18，156.10kN。

1)位移驗算

樁身最大水平位移為13.23mm<22mm，滿足要求。

2)彎矩驗算

MK為496.38kN/m，小于工況1下的彎矩計算值，故不再驗算。

3)剪力驗算

同理依據(jù)公式得V=682.5kN

4)鋼支撐軸力驗算

根據(jù)ν1=9.91mm，ν2=11.28mm，分別求得首層、地下1層鋼支撐所受軸力NK1，NK2為1 557.2，1 772.5kN。取較大值NK2計算鋼支撐軸力設計值N=2 437.1kN

3.5 支護結構穩(wěn)定性驗算

帶內(nèi)支撐的雙排樁結構嵌固穩(wěn)定性計算公式如下：

(11)

式中：KQ為抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)；Kem為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；Ti為內(nèi)支撐材料抗力，取1 337.33kN/m;G為排樁、樁頂連梁和樁間土的自重之和，取1 684.98kN；ZG為雙排樁、樁頂連梁和樁間土的重心至前排樁邊緣的水平距離,取2.5m；ZTi為內(nèi)支撐距離擋土構件底端的距離。

將工況1、工況2下的土壓力計算值及有關參數(shù)代入式(11)得兩種工況下的KQ分別為3.85，3.95，均>1.25，滿足規(guī)范要求。

3.6 周邊建筑物沉降驗算

周邊地表沉降計算采用DB34/T 5079—2018《建筑工程逆作法技術規(guī)程》中的經(jīng)驗預估計法計算，計算得東側小區(qū)預估沉降量為6.9mm。依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測設計規(guī)范》規(guī)定，鄰近建筑物最大豎向位移為60mm,可得計算沉降量滿足規(guī)范要求。

4 監(jiān)測點布置及相關數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測點布置方案

4.1.1樁頂水平位移監(jiān)測

結合本工程實際情況，在冠梁上布置6個水平位移監(jiān)測點，由北至南依次命名為QW14～QW19,進行監(jiān)測并記錄數(shù)據(jù)。

4.1.2圍護樁體深層水平位移監(jiān)測

由北至南于前后排樁位置處布置10個測斜管，相鄰測斜管間隔25m，前、后排樁依次編號CX9～CX13,CX14～CX18。采用測斜儀進行測量并繪制監(jiān)測曲線。

4.1.3鋼支撐軸力監(jiān)測

選取4道首層水平鋼支撐進行軸力監(jiān)測，由北至南依次編號1～4號，測點間距離<25m,于每個測點處布置1個表面應變計通過導線與應變采集儀進行連接來記錄鋼支撐軸力變化值，并繪制軸力變化曲線。

4.1.4建筑物沉降監(jiān)測點

利用鄰近建筑物原有沉降監(jiān)測點，距離最外側圍護樁約11m處，在每棟建筑物布置2個監(jiān)測點，本工程東側4棟樓共布置8個監(jiān)測點。由北至南各棟編號為JC01～JC08。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.2.1樁頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析(見圖7)

分析圖7中數(shù)據(jù)可得各測點累計樁頂水平位移平均值為8.6mm，與最大值相差1.8mm，與最小值相差1.2mm，且最大值僅占水平位移限值22mm的47%，平均值僅占水平位移限值的39%。數(shù)據(jù)表明基坑東側樁頂水平位移變化一致，運用該支護方案有效減少了樁頂?shù)乃轿灰啤?/p>

圖7 樁頂水平位移

4.2.2樁體深層水平位移數(shù)據(jù)分析

在樁體深層水平位移監(jiān)測中，僅有CX9和CX13兩處監(jiān)測點成功，數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。CX9曲線中最大值為11.4mm，于樁身4m處，占水平位移限值22mm的51%，累計最大水平位移發(fā)生在兩層鋼支撐之間，說明了此時鋼支撐結構起到支承作用，有效地減少了樁體的位移；CX13曲線中最大值為8.88mm,于樁身7m處，占水平位移限值的40%，說明隨著開挖深度的增加，此處樁體承受的主動土壓力隨之增加，被動土壓力隨之減少，樁體承受更大內(nèi)力。

圖8 樁體深層水平位移

4.2.3鋼支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

施工過程中鋼支撐對應的軸力監(jiān)測值如表1所示。由表1可知，4號鋼支撐承受最大軸力為1 276.78kN;4根鋼支撐最大軸力平均值為1 017.13kN;監(jiān)測軸力最大值與工況2下的鋼支撐軸力計算值1 557.2kN相差280.42kN，分析原因有：①本工程實際采用3排樁的基坑支護方式與雙排樁模擬計算存在差別，故監(jiān)測值小于計算值；②計算采取的荷載值有施工荷載和建筑物荷載存在實際誤差，故計算值大于監(jiān)測值。軸力監(jiān)測最大值僅占承載能力設計值6 018kN的21%，平均值占承載能力設計值的17%，可知本工程采用的型鋼規(guī)格滿足安全性要求。

表1 鋼支撐荷載測試結果 kN

4.2.4周邊建筑物沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知東側小區(qū)沉降量累計最大值為-6.7mm,平均沉降量為-5.9mm,兩者分別占沉降限值60mm的11%和9.8%，可知該支護方式有效地減少了鄰近建筑物沉降。

5 結語

本文以合肥典型逆作法超大深基坑工程為例，結合基坑支護方案下不利工況的選取，通過理正7.0軟件計算，對排樁位移和型鋼內(nèi)支撐反力進行詳細研究，并與工程實際監(jiān)測結果進行對比分析，可得出以下主要結論。

1)該基坑工程采取3排懸臂灌注樁+內(nèi)部水平H型鋼內(nèi)支撐支護體系形式，有效地降低了基坑開挖過程中的土體變形，減少了鄰近建筑物沉降，對周邊環(huán)境起到了很好的保護作用。

2)通過不加撐情況下的驗算發(fā)現(xiàn)排樁位移不滿足規(guī)范要求，確定了加撐的必要性。通過加撐支護方案下的內(nèi)力驗算結果說明支護樁配筋下的變形、受彎和受剪能力是滿足承載力要求的。

3)運用理正7.0軟件計算出兩次工況下樁頂最大水平位移為8.02mm，而實際監(jiān)測值為10.4mm，相差2.38mm;前排樁樁身最大水平位移計算值為11.71mm，與實際監(jiān)測樁體深層水平位移值11.4mm相差0.31mm,說明本工程采取的計算模型是貼合工程實際的。

4)在基坑支護方案的選擇中應綜合考慮，在滿足結構受力變形的條件下進行必要的經(jīng)濟性分析，確保基坑項目在合理的工程預算范圍內(nèi)得以順利實施。